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我国的一个高新技术产业——超硬材料，以金刚石为代表。

内容简介：

本书对超硬炭材料（包括金刚石与立方氮化硼）的发展、超硬炭材料的性能、静（动）态高压合成技术、低压合成技术、金刚石工具的制备与应用、纳米金刚石的合成与应用、新型金刚石的探索做了较为全面、系统的阐述，可以作为高等院校学生教材，或者作为科研人员参考用书。

作者简介：

王艳辉
男，1963年2月出生，博士学位，燕山大学材料学院任教。
教授，博士生导师，从事金刚石及相关材料领域教学科研工作20余年。
承担了国家重点科技攻关、国家自然科学基金和河北省自然科学基金等科研项目，完成的创新性成果主要包括金刚石、立方氮化硼真空微蒸发镀覆技术；刚玉涂覆的金刚石、立方氮化硼；微纳粉体表面修饰及镀覆技术；超硬工具用纳米陶瓷结合剂；纳米金刚石电极材料及电化学研究等，在金刚石及相关材料表面镀覆及工业化应用等领域取得了一批国际公认的研究成果，达到国际领先水平，在金刚石表面镀覆领域形成了系统理论。在《Nanoletters》等著名期刊发表发表论文100余篇，SCI收录论文80篇，并被国内外论文多次引用。获得多项发明专利，获得省部级科技进步奖5项。研究成果获得了广泛的工业化应用，如国内外首创、处于国际领先水平的 “真空微蒸发镀覆”技术，形成了专业设备和原材料，在国内外获得了普及应用，获得了显著的技术进步和经济效益。

目录：

第1章绪论1
1.1超硬材料的发展1
1.1.1金刚石的发现1
1.1.2合成金刚石的发展2
1.2超硬材料的性能和应用4
1.2.1磨料及工具4
1.2.2金刚石功能材料5
1.3其他超硬材料7
参考文献8
第2章金刚石的结构和性能10
2.1金刚石的化学组成10
2.2金刚石的结构12
2.2.1碳的原子结构12
2.2.2金刚石的晶体结构14
2.2.3金刚石晶体形貌15
2.3金刚石的化学性质17
2.3.1金刚石的氧化性17
2.3.2金刚石的石墨化18
2.3.3金刚石的化学稳定性18
2.3.4金刚石与过渡金属的化学反应18
2.4金刚石的机械性质18
2.4.1金刚石的硬度、耐磨性18
2.4.2金刚石的解理20
2.4.3金刚石的强度21
2.4.4金刚石的弹性模量22
2.5金刚石的物理性质23
2.5.1金刚石的热学性质23
2.5.2金刚石的光学性质24
2.5.3金刚石的电磁性质26
参考文献27
第3章静压催化剂法合成金刚石29
3.1静压催化剂法合成金刚石的机理30
3.1.1固相直接转变机理30
3.1.2溶剂说32
3.1.3催化剂说33
3.1.4熔媒说33
3.2石墨-金刚石相变的热力学和动力学34
3.2.1碳的相图34
3.2.2金刚石晶粒的形成与长大35
3.2.3金刚石晶体生长与外部条件的关系39
3.3高压设备介绍40
3.3.1两面顶压机41
3.3.2六面顶压机42
3.4高温高压的产生和测量44
3.4.1高压的产生和测量44
3.4.2高温的产生和测量45
3.5金刚石合成的原辅材料46
3.5.1密封材料与传压介质46
3.5.2石墨材料48
3.5.3催化剂材料51
3.6静压催化剂法合成工艺53
3.6.1合成块组装53
3.6.2金刚石合成典型工艺55
3.6.3合成棒现象分析59
3.7金刚石的提纯、分选与检测61
3.7.1金刚石的提纯61
3.7.2金刚石的分选64
3.7.3金刚石的质量检测67
参考文献70
第4章动态高压合成金刚石72
4.1动压法合成金刚石的发展史72
4.2动态高压合成金刚石基础74
4.2.1碳的相图74
4.2.2碳的雨贡纽状态方程74
4.2.3爆轰法合成纳米金刚石78
4.2.4爆炸法合成微米金刚石和多晶纳米金刚石78
4.3爆炸法合成金刚石80
4.3.1爆炸法合成的主要装置80
4.3.2爆炸法合成的工艺81
4.3.3金刚石的提纯83
4.3.4爆炸法合成的金刚石晶体结构及性能83
4.4爆轰法合成纳米金刚石85
4.4.1爆轰法合成纳米金刚石的主要装置85
4.4.2爆轰法合成的工艺87
4.4.3纳米金刚石的提纯88
4.4.4爆轰纳米金刚石结构及性能90
4.5纳米金刚石的应用97
4.5.1超精密抛光97
4.5.2纳米金刚石润滑油99
4.5.3纳米金刚石复合镀层100
4.5.4纳米金刚石涂料101
4.5.5纳米金刚石复合材料101
4.5.6纳米金刚石在医药卫生领域的应用102
参考文献102
第5章低压合成金刚石107
5.1低压合成金刚石的发展概况107
5.1.1金刚石薄膜的发展概况107
5.1.2金刚石薄膜的合成方法108
5.1.3金刚石薄膜的性质和应用109
5.2化学气相沉积合成金刚石的生长机理112
5.2.1CVD合成金刚石过程中的经验和规律112
5.2.2CVD生长金刚石机理114
5.2.3金刚石薄膜生长动力学因素119
5.3金刚石薄膜生长方法120
5.3.1热丝法CVD120
5.3.2微波等离子体CVD法122
5.3.3等离子体喷射法CVD124
5.3.4其他CVD方法124
5.4类金刚石薄膜生长方法126
5.4.1概述与表征126
5.4.2类金刚石薄膜的制备方法127
5.4.3类金刚石薄膜的性质及应用129
参考文献130
第6章立方氮化硼的性质与应用134
6.1氮化硼的结构134
6.1.1六方氮化硼134
6.1.2菱方氮化硼135
6.1.3立方氮化硼135
6.1.4纤锌矿氮化硼136
6.2立方氮化硼的性质与应用136
6.2.1机械性质136
6.2.2光学性质137
6.2.3电磁性质137
6.2.4热学性质138
6.2.5CBN的化学性质139
6.3静压催化剂法合成立方氮化硼的机理139
6.3.1BN的相图140
6.3.2CBN合成区域141
6.3.3CBN合成机理141
6.4合成立方氮化硼的原材料142
6.4.1HBN的制备142
6.4.2HBN原料对合成CBN的影响143
6.4.3催化剂与立方氮化硼的合成144
6.5立方氮化硼合成工艺、提纯及检测145
6.6立方氮化硼大单晶的培育146
6.7立方氮化硼薄膜的制备147
6.7.1PVD制备CBN薄膜148
6.7.2化学气相沉积(CVD)149
6.7.3存在的问题和发展方向149
参考文献150
第7章聚晶超硬材料155
7.1聚晶金刚石的发展155
7.2聚晶金刚石的性能特点与用途157
7.2.1聚晶金刚石的性能特点157
7.2.2聚晶的性能指标158
7.2.3聚晶金刚石的应用领域160
7.3聚晶金刚石的分类162
7.3.1生长型163
7.3.2烧结型163
7.3.3中介结合型164
7.3.4生长-烧结型165
7.4金刚石聚结过程分析166
7.4.1烧结过程166
7.4.2基本的物理化学变化166
7.4.3烧结体结构167
7.5生长型PCD制造工艺169
7.6烧结型PCD制造工艺170
7.6.1聚晶金刚石烧结工艺流程170
7.6.2固相烧结171
7.6.3液相烧结173
7.6.4D-M-D中介结合的聚晶金刚石的烧结176
7.7聚晶立方氮化硼的制备177
7.7.1制造方法分类177
7.7.2制备工艺流程178
7.7.3PCBN复合片的制备179
7.8纳米聚晶金刚石和纳米孪晶金刚石(立方氮化硼)的制备179
参考文献180
第8章金刚石功能材料及发展183
8.1热传导材料183
8.2宽禁带半导体186
8.2.1肖特基二极管186
8.2.2场效应晶体管187
8.2.3场发射材料187
8.2.4光发射材料188
8.2.5二次电子发射材料188
8.3金刚石电极材料188
8.3.1金刚石电极的电化学性质189
8.3.2金刚石电极在电化学中的应用190
8.4纳米金刚石粉体的电化学性质及应用191
8.4.1纳米金刚石的导电机理191
8.4.2纳米金刚石的表面修饰192
8.4.3纳米金刚石的电化学性能194
8.4.4纳米金刚石在电化学领域的应用195
8.5生物医药领域200
8.5.1生物细胞标志200
8.5.2生物传感器201
8.5.3定向药物基因传输202
8.5.4保健品级化妆品添加剂203
8.6其他应用203
8.6.1射线及探测器件203
8.6.2量子计算机单电子源204
8.6.3声波材料204
8.6.4保护涂层204
参考文献204
第9章新型超硬材料的研究进展209
9.1引言209
9.2纳米孪晶CBN209
9.3纳米孪晶金刚石213
9.4新金刚石215
9.4.1激光消融法216
9.4.2炭黑催化法220
9.4.3HR-carbon模型224
9.5小结227
参考文献228
第10章金刚石工具概论229
10.1金刚石工具的构成229
10.2金刚石磨料232
10.2.1金刚石磨料的相关行业标准232
10.2.2金刚石的热稳定性233
10.3金刚石工具的种类及结合剂236
10.3.1金刚石工具的分类236
10.3.2金刚石工具的结合剂种类及特点236
10.4金刚石工具制造工艺简介239
10.5金刚石工具工作过程中的行为分析241
参考文献244
第11章金刚石工具及复合热传导材料246
11.1金属结合剂金刚石工具246
11.1.1金属结合剂配方体系248
11.1.2金属结合剂金刚石工具的制备方式251
11.1.3金属结合剂金刚石工具中金刚石的选用252
11.1.4金属结合剂金刚石工具的几何形状及其设计255
11.1.5金属结合剂金刚石工具的质量监控256
11.1.6金属结合剂金刚石工具制造工艺简介258
11.2树脂结合剂金刚石工具260
11.2.1树脂结合剂的种类及其填料261
11.2.2树脂结合剂金刚石工具中金刚石的选择261
11.2.3树脂结合剂金刚石工具的制造工艺262
11.3陶瓷结合剂金刚石工具263
11.3.1陶瓷结合剂的组成及性能要求264
11.3.2传统陶瓷结合剂的成分调控265
11.3.3纳米陶瓷结合剂的开发应用270
11.3.4陶瓷结合剂金刚石工具中磨料的选择277
11.3.5陶瓷结合剂金刚石工具的制备工艺278
11.4电镀金刚石工具278
11.4.1金刚石复合镀层的结构及作用279
11.4.2电镀金刚石工具的制造工艺279
11.5钎焊金刚石工具282
11.6金刚石线锯工具284
11.6.1金刚石线锯的类别285
11.6.2电镀金刚石线锯的制备工艺287
11.6.3金刚石线锯技术现状和研究方向290
11.7金刚石复合热传导材料291
11.7.1复合材料的热膨胀系数和热导率292
11.7.2金属基金刚石复合热传导材料293
11.7.3陶瓷基金刚石复合热传导材料296
11.7.4高分子基金刚石复合热传导材料299
参考文献299
第12章金刚石工具的界面问题308
12.1界面问题的提出及发展过程308
12.1.1金属结合剂工具的界面问题309
12.1.2陶瓷结合剂工具的界面问题311
12.2实现金刚石与结合剂冶金结合的条件315
12.2.1成分条件315
12.2.2结构条件316
12.2.3工艺条件316
12.3超硬磨料表面的金属化及其技术316
12.4真空微蒸发镀钛技术321
12.4.1真空微蒸发镀覆技术的产生321
12.4.2真空微蒸发镀钛过程的热力学计算323
12.4.3镀层的质量和评价方法327
12.4.4镀钛对金刚石性能的影响328
12.5真空微蒸发镀钛金刚石的应用效果330
12.5.1真空微蒸发镀钛金刚石的作用331
12.5.2采用真空微蒸发镀钛金刚石的收益335
12.6金刚石真空微蒸发镀钛的系列产品及应用335
12.6.1镀覆单一金属或合金的超硬磨料336
12.6.2真空微蒸发镀覆之后再经电镀形成的多层复合镀超硬磨料338
12.7超硬磨料镀覆刚玉产品及应用340
12.7.1金刚石涂覆刚玉的技术要点340
12.7.2刚玉涂覆金刚石产品的性能检测341
12.7.3刚玉涂覆处理后的金刚石的使用效果及经济效益344
参考文献345

前言：

金刚石是碳的同素异形体，但与石墨等sp2碳原子结合而成的炭材料不同的是，金刚石是由sp3杂化碳原子通过共价键结合的晶体，其独特的结构赋予金刚石很多极限物理化学性质，包括最高的硬度、最高的热导率、最高的色散以及极其稳定的化学性质等。
金刚石是目前已知的世界上最硬的物质，合成的立方氮化硼晶体结构与金刚石类似，硬度仅次于金刚石，这两种材料被称为超硬材料。远高于其他材料的硬度使超硬材料成为性能优异的工具材料，尤其是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性。硬度之外的一些极限物理化学特性，包括极高的热导率、优异的化学稳定性等，使其成为重要的功能材料，在光学、电学、热学方面具有极大的发展潜力，例如，金刚石的热导率是所有材料中最高的，是极佳的热沉材料，同时由于金刚石电阻率高，可作为集成电路基片和绝缘层以及固体激光器的导热绝缘层；金刚石在从紫外到远红外整个波段都具有高的透过率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料；其折射率高，可作为太阳能电池的反射膜；含硼金刚石是宽禁带半导体材料，可用于高功率、高频及高温电子器件，激光器,探测器等；结合其良好的化学稳定性，可以成为高稳定电极材料，应用于电分析、电合成、电催化以及污染物检测及降解等领域；金刚石能耐各种温度下的非氧化性酸，与血液和其他流体不起反应，因此它又是理想的医学生物体植入材料，结合其极低的摩擦系数，金刚石可以做心脏瓣膜、人工关节等。集如此多的优异性能于一身的材料，正是科技工作者所期望的，也因此近年来金刚石吸引了众多研究者的广泛关注。
天然金刚石在自然界中极其罕见，也因此钻石成为最贵重的宝石。金刚石的广泛应用得益于人工合成金刚石技术的发展。自20世纪50年代，高压合成第一颗金刚石以来，金刚石及相关材料获得了突飞猛进的发展。21世纪以来，随着高压合成技术以及低压化学气相沉积技术的快速发展和进步，宝石级大单晶及大尺寸的金刚石薄膜的商品化，使得超硬炭材料的发展进入了一个新的阶段。
本书作者在大量阅读国内外相关文献的基础上，结合自身长期的科研、教学工作，对超硬材料合成技术与方法、超硬材料性能、超硬材料工具以及超硬材料在功能材料领域的应用等进行了系统阐述，同时对金刚石复合材料的界面问题、金刚石表面镀覆改性的理论和方法；纳米金刚石的电化学性质和在电化学领域的应用；以及极硬纳米孪晶金刚石等新型金刚石的合成等一批最新科研成果做了重点介绍。力图通过此书使超硬材料被更多的读者所了解，激发大家对超硬炭材料的研究兴趣，也为超硬炭材料领域的同行提供参考，为有志于从事本专业工作的高等院校的学生提供系统的教材。希望我们的工作可以为超硬炭材料的发展做出微薄的贡献。但由于作者水平有限，书中不可避免存在错误与缺陷，恳请读者批评指正。
本书共分为12章，全书由王艳辉、臧建兵主编并统稿，其中第1章及第10、11、12章由王艳辉编著，第2、3、6、8章由臧建兵编著，第4章由张书达编著，第5章由董亮编著，第7章由成晓哲编著，第9章由温斌编著。在撰稿过程中，得到了常锐、张艳、赵玉玲、贾影丹、贾少培等的大力帮助，在此一并表示感谢。

编著者
2017年5月